基于GT-seq SNP panel量化加拿大最大北极红点鲑商业渔业混合种群组成的年际变异

《Arctic Science》：Application of a GT-seq SNP panel to quantify interannual variation in mixed-stock composition in the largest commercial fishery for Arctic charr (Salvelinus alpinus) in Canada

　　

摘要
水生资源是全球食物供应和经济的关键，特别是在因纽特人长期依赖野生资源的北极地区。20世纪60年代，Iqaluktuuttiaq（加拿大努纳武特坎布里奇湾）社区建立了针对北极红点鲑（Salvelinus alpinus, Linnaeus, 1758）的商业渔业，提供了关键就业和收入。在快速变化的北极，分子工具可增强可持续渔业管理。研究人员应用了一个包含377个SNP位点的GT-seq（Genotyping-in-Thousands）panel来区分五个本地种群（Ekalluk、Halokvik、Jayko、Lauchlan和Surrey），并量化它们对年度捕捞量的贡献。研究人员分析了2012年至2020年8年间从四个商业地点收集的1387个样本，以评估种群组成的时间变异。结果显示种群贡献不均衡，Ekalluk和Halokvik占总渔获量的75%以上。春季渔获的种群组成在各年间保持稳定，而秋季渔获表现出显著的年际变异（p<0.05）。环境因素如冰破时间（IB）和50%海洋冰盖持续时间（I50）对种群贡献变异性无显著影响，这可能是由于数据有限。因此，GT-seq通过捕捉种群混合的年际变异性，为探索更具适应性的管理提供了机会。

论文解读

**研究背景与问题**

全球渔业资源对食物供给和经济至关重要，但过度捕捞威胁其可持续性。混合种群渔业中，多个同种群体的个体被同时捕捞，这给管理带来挑战，因为不同群体具有不同的生产力和生活史特征，需差异化策略以保护遗传多样性和避免过度开发。在加拿大北极地区，因纽特社区长期依赖渔业，其中北极红点鲑（*Salvelinus alpinus*）是努纳武特地区最重要的商业捕捞物种之一。在Iqaluktuuttiaq（坎布里奇湾）地区，自1960年代起建立了针对溯河洄游型北极红点鲑的商业渔业。然而，该物种的洄游行为导致不同河流来源的个体在海洋和河口栖息地高度混合，形成混合种群渔业。目前的管理模式将每条河流视为独立的管理单元并设定配额，但遗传和声学遥测研究揭示了高比例的迷路和种群混合现象，尤其Ekalluk种群对渔获贡献显著。因此，需要更精确的分子工具来量化不同种群的贡献及其年际变化，为适应性管理提供科学依据。本研究旨在应用GT-seq panel评估坎布里奇湾商业渔业的混合种群组成及其年际变异，并探究环境因素（如冰破时间和海洋冰盖）的影响。

**主要技术方法**

研究人员使用针对坎布里奇湾五个主要商业捕捞种群（Ekalluk、Halokvik、Surrey、Lauchlan和Jayko）开发的GT-seq（Genotyping-in-Thousands）panel，包含401个高度判别性的SNP位点。基线样本于2013-2017年在各河流采集，商业混合渔业样本于2012-2020年从四个商业捕捞地点（Ekalluk、Halokvik、Lauchlan和Surrey）的渔获中收集。DNA提取后，按照Campbell等（2015）的GT-seq协议进行文库制备和测序（MiSeq 2×75 bp）。通过GTscore管道进行生物信息过滤，最终保留394个基线个体和1397个商业样本，377个SNP位点。使用*rubias*软件包进行遗传自分配和混合种群分析，计算个体归属的后验概率（pofZ），以0.80为阈值筛选可靠分配。采用判别主成分分析（DAPC）评估基线群体结构，计算配对F_ST，并使用Mantel检验检测地理距离与遗传距离的关系。对环境因素（河流冰破时间IB和50%海洋冰盖日期I50）与种群贡献年际差异，使用Bray-Curtis距离量化组成差异，并进行线性回归分析。

**研究结果**

- **种群结构**：基于332个高质量基线个体的DAPC分析显示，五个种群形成五个清晰聚类，但Ekalluk种群与其他种群共享遗传相似性。配对F_ST介于0.034（Jayko–Ekalluk）至0.099（Surrey–Halokvik）之间，所有成对比较均显著。Mantel检验未发现遗传距离与地理距离之间的显著相关性（r2=0.02, p>0.05）。
- **混合种群分析**：2012-2020年间，Ekalluk和Halokvik是贡献最大的种群，分别占总渔获的44.12%和32.66%；Lauchlan、Jayko和Surrey的贡献均低于10%；未知来源鱼类占3.1%。Ekalluk种群在其自身渔业中贡献最大（55.56%），但2015年仅占7.84%；Halokvik种群在其自身渔业中贡献84.71%（2012）和61.54%（2015）。Ekalluk种群在Surrey和Lauchlan渔业中贡献最大（46.48%-68.97%），但在Halokvik渔业中贡献较低（≤16.67%）。Fisher精确检验显示Ekalluk和Halokvik渔业的种群比例存在显著年际变异（p=0.002），而Surrey和Lauchlan渔业的年际无显著变化。
- **环境因素与季节效应**：对Ekalluk和Surrey渔业，环境变量（IB和I50）对种群组成的年际差异无显著影响（线性回归R2=0.16, p=0.14；排除2015年后R2=-0.12）。然而，秋季（上游洄游）渔业的种群贡献偏差显著高于春季（下游洄游）（加权线性模型p=0.0063），表明秋季混合程度更高且年际变异更大。

**讨论与结论**

本研究首次基于遗传数据提供了坎布里奇湾北极红点鲑商业渔业的多年度混合种群贡献特征。结果证实所有商业捕捞地点均为混合种群渔业，其中Ekalluk和Halokvik种群贡献最大，这与先前遥测研究一致。Ekalluk种群作为最大种群，可能扮演源种群角色，为其他种群（如Halokvik、Lauchlan）提供移民，这由低F_ST和DAPC中的遗传相似性支持。Jayko种群贡献较低，因其位于距捕捞地点约630 km的Albert Edward湾，超出了大多数种群的海洋洄游范围。Surrey渔业主要捕获Ekalluk鱼，而Surrey种群自身贡献有限，可能与种群中溯河洄游个体比例低或冰破时间差异有关。环境因素对年际变异的影响不显著，可能因数据年限有限，但2015年（异常早破冰）Halokvik对Ekalluk渔业的异常高贡献提示环境驱动因素的潜在作用。

研究结论强调，当前基于河流的配额管理未能反映混合种群的现实。研究人员建议考虑一种新的双区域管理模式（Wellington Bay–Dease Strait与Albert Edward Bay），并允许配额转移以平衡捕捞压力。GT-seq工具可量化每年各群体贡献，为适应性共管理提供定量依据，结合因纽特传统知识（IQ）和社区监测，支持可持续决策。未来研究需扩大环境数据时间序列，并纳入更多潜在贡献种群（如Kitiga River和Freshwater Creek）以实现更全面的评估。